PROGETTAZIONE OTTIMIZZATI DI IMPIANTI A CICLO BINARIO PER CAMPI GEOTERMICI A MEDIA E BASSA ENTALPIA. Alessandro Franco

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1 Ferrara, 23 Settembre 29 PROGETTAZIONE OTTIMIZZATI DI IMPIANTI A CICLO BINARIO PER CAMPI GEOTERMICI A MEDIA E BASSA ENTALPIA Alessandro Franco Dipartimento di Energetica L. Poggi Largo Lucio Lazzarino PISA Corso di Laurea in INGEGNERIA ENERGETICA Alessandro Franco alessandro.franco@ing.unipi.it

2 Premessa L utilizzazione delle risorse geotermiche a media entalpia utilizzando la tecnologia dei cicli binari suscita molto interesse per la possibilità di - utilizzare un elevato numero di campi geotermici non diversamente utilizzabili - conferire un carattere di reale rinnovabilità alla risorsa geotermica - non produrre emissioni inquinanti - non richiedere risorse di acqua Struttura della presentazione - Risorse geotermiche (breve classificazione) - Utilizzazione delle risorse geotermiche per la generazione elettrica - Tecnologia dei cicli binari: stato dell arte - Criteri e linee guida per la progettazione di impianti a ciclo binario - Ottimizzazioni e analisi di sensibilità - Analisi dettagliata di alcune soluzioni impiantistiche - Conclusioni

3 Risorse geotermiche Si hanno quattro tipi di risorse geotermiche: idrotermali, geopressurizzate, rocce calde (hot dry rock) e magma. Solamente le risorse idro-termali sono utilizzate a livello commerciale. Disponibilità: è disponibile 365 giorni all anno per 24 ore al giorno Potenza installata (MW) State USA Filippine Indonesia Messico Italia World Il trend della generazione geotermoelettrica è di crescita non forte ma costante

4 Breve rassegna sugli impianti geotermoelettrici CAMPI A VAPORE Impianti piuttosto semplici dal punto di vista concettuale Nel mondo solo 6: Geysers (CA), Italia (Larderello) Iceland, Indonesia, Nuova Zelanda) Sistema di condensazione a liquido Impatti ambientali elevati (CO 2, H 2 S, inquinamento termico) LIQUIDO O A TEMPERATURA T OLTRE 16 O C Flash : Sistema di condensazione a liquido Possibilità di combinazione flash - binario Tipo di impianto Potenza (%) installata Dry steam Single flash Double flash Binario/Combinato Back pressure TOTAL LIQUIDO CON TEMPERATURA 1 O - 16 O - Ciclo binario (ORC) è il più appropriato - Possibilità di utilizzazione condensatori ad aria (torri evaporative a secco) - 1% rigenerazione dei pozzi - ridotte emissioni inquinanti PROBLEMI APERTI Elevati costi di istallazione (2-4 /kw) - Esplorazione e perf. 2-25% - Infrastrutture 1% - Superfici di scambio 3-4% - Impianto 25-3% Reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione sali)

5 Impianti a ciclo binario Per risorse geotermiche ad acqua dominante con temperature inferiori a 16 C, la tecnologia dei cicli binari o anche ORC (Organic Rankine Cycle) è quella più indicata Tra gli impianti a ciclo binario risultano particolarmente interessanti quelli con sistema di condensazione a secco che possono essere utilizzati in qualunque contesto con ridotti impatti ambientali e rigenerazione completa del fluido. Vaporizz.-Surr Vapore ad alta pressione Turbina Vapore a bassa pressione Ventilatore Torre evaporativa Vaporizz.-Surr Preriscaldatore Vapore ad alta pressione Turbina Vapore a bassa pressione Pozzo di prelievo Preriscaldatore Liquido a bassa T Condensatore Pompa circolazione acqua Pozzo di prelievo Condensatore Condensatore ad aria Pozzo di reiniezione Pompa Pompa di circolazione fluido ausiliario Water cooled binary plants Pozzo di reiniezione Pompa Liquido a bassa T Pompa di circolazione fluido ausiliario Recipiente Air cooled binary plants

6 Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario (~ 8 MW in 27) MW Ormesa Geothermal Complex, California 3 MW Puna Geothermal Power Plant, Big Island, Hawaii 125 MW Upper Mahiao Geo- Power Plant, the Philippines MW Zumil, Guatemala 8 MW Olkarya, Kenia 3 MW Steamboat Springs, Reno, Nevada , , 25 4 MW Heber Geothermal Power Plant, California, 14 MW Sao Miguel Geothermal Power Plant, Azores Islands 1 MW Mokai Geothermal Power Plant, New Zealand

7 Dislocazione e caratteristiche principali degli impianti con ciclo binario Impianto Luogo Gross capacity (MWe) Tipo di impianto Sistema di controllo termico Miravalles 5 Costa Rica (18) Combined cycle (Binary) Wet Leyte Filippine (61) Combined cycle (Binary) Wet Mak-Ban Filippine (15.7) Combined cycle (Binary) Wet/Dry Sao Miguel Azzorre (Portogallo) 16 Binary Dry Pico Vermelho Azzorre (Portogallo) 11.5 Binary Dry Mokai Nuova Zelanda (18) Combined cycle (Binary) Dry Rotokawa Nuova Zelanda 13.5 Binary Wet Wairakei Nuova Zelanda (15) Combined cycle (Binary) Dry Zunil Guatemala 28.6 Binary Dry Olkaria III Kenya 12 Binary Dry Puna Hawaii (USA) (3) Combined cycle (Binary) Dry Heber (SIGC) California (USA) 4 Binary Wet East Mesa California (USA) 89.4 Binary (five plants) Wet Casa Diablo (Mammoth) California (USA) 42 Binary (three plants) Dry Steamboat Spring Nevada (USA) 34 Binary Dry Salt Wells Nevada (USA) 14 Binary Dry Soda Lake Nevada (USA) 12 Binary Dry Stillwater Nevada (USA) 15.3 Binary Dry Stillwater 2 Nevada (USA) 48 Binary Dry Blundell Utah (USA) 11 Binary Dry Impianti Binari o Combined con taglie fra 9 MW e 1 kw (di difficile censimento)

8 Piccoli impianti a ciclo binario con caratteristiche particolari Locazione impianto T geo (ºC) Ciclo Fluido operativo Potenza lorda (kwe) Consumo specifico [(kg/s)/mw] Cooling tower Nigorikawa, Japan 14 Rankine R Wet Otake, Japan 13 Rankine Isobutane Wet/Dry Husavik, Iceland 124 Kalina NH3-H2O Wet Nagqu, China 11 Rankine Isopentane 1 69 Dry Altheim, Austria 16 Rankine C 5 F Dry Wabuska, CA, USA 14 Rankine Isopentane Wet Chena Hot Spring, Alaska 74 Rankine R134a Wet/Dry Kutahya-Simav, Turkey 145 Hirn R Wet Uno dei dati più interessanti è l incremento della efficienza isoentropica delle turbine Year of installation Plant Turbine isentropic efficiency 1984 Steamboat, USA Ormesa, USA Puna, USA Heber, USA Rotokawa, NZ 84 2 Olkaria, Kenya 88

9 Progettazione ottimizzata di un impianto a ciclo binario? Elevato costo d impianto 2-4 /kw per: elevate superfici di scambio scarsa produttività del fluido geotermico Ottimizzazione ciclo termodinamico (Livello di sistema) Ottimizzazione apparati di scambio termico (Livello di componente) - La progettazione di un impianto a ciclo binario è difficilmente standardizzabile Le risorse hanno caratteristiche molto variabili (Temperatura e pressione del serbatoio, composizione chimica del fluido geotermico) Variabili progettuali rilevanti di un impianto a ciclo binario Le variabili progettuali di un impianto a ciclo binario sono molteplici: esse comprendono - temperatura di sorgente - le temperature di rienizione (legata alla composizione di sali disciolti) - temperatura di condensazione (legata alla temperatura ambiente) - fluido operativo (criogenico, refrigerante di sintesi o miscela di refrigeranti), - ciclo di recupero (Rankine, Hirn, 2 livelli di pressione, ecc.) - progetto degli scambiatori rigenerativi, - sistema di condensazione (nel caso dei sistemi di condensazione ad aria tipo di ventilazione e tipologie di superfici di scambio),

10 ,9,8,7,6,5,4,3,2,1 ( ) ln T T in in Trein To Ex = Trein Q T T Ex/Exo 1 ( ) o in o Tin = 16 C T in = 15 C T in = 14 C T in = 13 C T in = 12 C T in = 11 C Variabili del problema di ottimizzazione Trein Ex/Qo,3 Temperatura della sorgente (source temperature) = T in,25,2,15,1,5 Ex Ex o = ln T T in in Trein To Trein ( ) ln T T in in To To To ( ) Tin = 16 C T in = 15 C T in = 14 C T in = 13 C T in = 12 C T i n = 11 C Trein Temperatura di reiniezione (reinjection or rejection temperature) = T rein Temperatura ambiente di riferimento (reference temperature) = T

11 Cicli a recupero (recovery cycle) Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina Rankine Recuperated Hirn Recuperated Supercritical Fluidi operativi (working fluid) Devono essere fluido basso bollenti (con T cr < T in ) In linea di principio moltissime possibilità: - Idrocarburi (isopentano, isobutano, ecc.) - Refrigeranti (FC, HFC) - Miscele di refrigeranti

12 Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero p [bar] R134a R152a iso-but ane Propane FC318 iso-pent ane h [kj/ kg] T [ C ] R134a R152a iso-but ane Propane FC318 iso-pent ane,5 1 1,5 2 s [kj/(kgk)]

13 Parametri di merito per analisi di impianti a ciclo binario Efficienza di primo principio (First Law efficiency) η = I W net m (h h ) geo in rej Efficienza di secondo principio (Second Law efficiency) η II = Wnet m [(h h ) T (s s )] geo in in geo Produttività dell impianto geotermico (Specific consumption of geothermal brine) M β geo = W net kg MJ I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente termodinamica; il terzo parametro può invece assumere anche una connotazione economica

14 Strategia per la progettazione ottimizzata Sorgenti analizzate: Campi ad acqua dominante con temperatura fra 16 e 1 C, reiniezione nell acquifero a 9, 8 e 7 C. Condizioni Operative: Condensazione a 3, 2 e 1 C

15 Consumo specifico di fluido geotermico in alcuni casi significativi Temperatura di sorgente (1-16 C) Temperatura di condensazione (3-4 C) Temperatura di scarico (7-1 C) Fluidi operativi (sono stati testati 36 fluidi operativi) β [kg/mj] R134a n-butane R41A R152a n-pentane R47C R134a R152a n-butane n-pentane R41A R47C

16 Case 1: T = geo 16 C T rej = 7 C Working fluid Rankine Rankine with superheater Optimized solution β η I η II β η I η II β η I η II (kg/mj) (%) (%) (kg/mj) (%) (%) (kg/mj) (%) (%) R134a R152a Isobutane n-pentane R41A R47C Optimized solution: Supercritical cycle 2 Optimized solution: Dual pressure level Rankine cycle Analisi exergetica Ex [%] 1% % 6% 4% 2% Irein Icond IST IRHE Wfans Wpum p Wnet %

17 Fattori di criticità Il sistema di condensazione ad aria Scarsi coefficienti di scambio Ventilazione energeticamente onerosa Variazione della temperatura ambiente

18 Dimensionamento del sistema di condensazione Potenza [kw] Differenza tra T di condensazione e T esterna W lorda W pompaggio W ventilazione W netta

19 Analisi dei risultati La combinazione temperatura di sorgente (T in ) -temperatura di rieniezione (T rein ) -temperatura di condensazione (T con ) resta l elemento più importante: consumi specifici variabili fino a 5 volte Cicli di recupero semplici (spesso non vale la pena il ricorso a soluzione più complicate come quella supercritica) Fluido operativo: variabile importante, ma meno di altre. Per ogni fluido si trova un ciclo adatto. Lo scambio termico è fondamentale per la progettazione di un impianto a ciclo binario: il sistema di condensazione ha un notevole impatto anche sulla prestazione termodinamica Difficoltà di standardizzazione tecnologica per variabilità: Temperatura Condizioni climatiche Composizione chimica

20 Una soluzione da approfondire bene: il ciclo rigenerativo Binario tradizionale Binario rigenerativo (recuperated) Con inserimento del rigeneratore si potranno aumentare i rendimenti termodinamici di primo e secondo principio e rendere meno sensibile il sistema alle condizioni al contorno (temperatura della sorgente ed esterna variabili nel tempo). POSSIBILE STANDARDIZZAZIONE DI SISTEMI DI PICCOLA TAGLIA

21 Analisi di sensibilità: temperatura di sorgente e di reiniezione (analisi di un sistema con potenza netta 5 kw) Sorgente 15 7 C, temp. di condens. 3 C Sorgente 12 7 C, temp. di condens. 3 C 7 7 Portata di fuido geotermico ( Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Sorgente 12 9 C, temp. di condens. 3 C Sorgente 11 8 C, temp. di condens. 3 C Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen

22 Analisi di sensibilità: temperatura di condensazione Sorgente 15 7 C, Temp. di condens. 2 C Sorgente 1 7 C, Temp. di condens. 2 C Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Sorgente 1 7 C, Temp. di condens. 1 C Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Il ciclo rigenerativo risulta piuttosto interessante soprattutto con fluido R245fa (HFC) -Possibilità di standardizzare il sistema - Possibilità di ridurre le dimensioni del sistema di condensazione

23 Conclusioni Gli impianti a ciclo binario con raffreddamento ad aria sono una tecnologia molto interessante e sostenibile per l utilizzazione di risorse geotermiche ad acqua dominante se possono essere raggiunti livelli accettabili di produttività ed efficienza. La generazione elettrica sembra essere quasi sempre conveniente se T > 15 C. Non sembra quasi mai conveniente se la temperatura della sorgente è < 13 C e se la temperatura di reinizione è >1 C. I consumi degli ausiliari sono troppo elevati. Le forti differenze, in termini di temperatura, pressione e composizione chimica del fluido geotermico, rendono gli impianti a ciclo binario poco adatti a standardizzazioni Gli aspetti impiantistici non sono i soli a dover essere considerati. Attenzione anche alla caratterizzazione della risorsa ed alle capacità di rigenerazione del pozzo. L ottimizzazione è però un elemento chiave per il successo di questi impianti visto che si possono apprezzare miglioramenti anche del 3-4% rispetto a soluzioni convenzionali. Per ogni combinazione temperatura di sorgente-temperatura di reinizione vi è una combinazione ottimale fluido-ciclo che permette di ottenere risultati simili. Non sembra quasi mai conveniente l uso miscele di refrigeranti (cicli Kalina) e raramente quello di configurazioni di recupero di tipo ipercritico. Molto interessante sembra essere il ricorso a configurazioni di tipo rigenerativo.